[논문 리뷰] Evidence of Dirac Quantum Spin Liquid in YbZn2GaO5

Rabindranath Bag, Sijie Xu외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 31.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 7

한 줄 요약

본 논문은 YbZn2GaO5가 삼각 격자에서 U(1) 디랙 양자 스핀 액체를 호스팅한다는 열역학 및 비탄성 중성자 산란 증거를 제시하며, 바닥상태는 스핀-1/2이고 디랙 유사 스피논들로 구성된다는 것을 보여준다. 결과는 J1-J2 XXZ 모델과 일치하며, Γ점에서의 T^2 열용량 및 갭 특성을 보이지만 M 및 K에서 스펙트럼은 갭이 없는 것으로 나타난다.

ABSTRACT

The emergence of a quantum spin liquid (QSL), a state of matter that can result when electron spins are highly correlated but do not become ordered, has been the subject of a considerable body of research in condensed matter physics. Spin liquid states have been proposed as hosts for high-temperature superconductivity and can host topological properties with potential applications in quantum information science. The excitations of most quantum spin liquids are not conventional spin waves but rather quasiparticles known as spinons, whose existence is well established experimentally only in one-dimensional systems; the unambiguous experimental realization of QSL behavior in higher dimensions remains challenging. Here, we investigate the novel compound YbZn2GaO5, which hosts an ideal triangular lattice of effective spin-1/2 moments with no detectable inherent chemical disorder. Thermodynamic and inelastic neutron scattering measurements performed on high-quality single crystal samples of YbZn2GaO5 exclude the possibility of long-range magnetic ordering down to 0.06 K, demonstrate a quadratic power law for the specific heat and reveal a continuum of magnetic excitations in parts of the Brillouin zone. Both low-temperature thermodynamics and inelastic neutron scattering spectra suggest that YbZn2GaO5 is a U(1) Dirac QSL with spinon excitations concentrated at certain points in the Brillouin zone. We advanced these results by performing additional specific heat measurements under finite fields, further confirming the theoretical expectations for a Dirac QSL on the triangular lattice of YbZn2GaO5.

연구 동기 및 목표

• 이차원 삼각 격자에서 화학적 불순물 없이 본질적인 양자 스핀 액체 상태를 탐색하려는 의도.
• YbZn2GaO5의 기저 상태를 열역학 및 중성자 산란을 통해 특징짓기.
• 이 시스템에서 디랙 스핀 액체와 스피논 페르미 면 상태 시나리오를 구분하기.
• 관찰된 스펙트럼과 열역학적 특성을 J1-J2 XXZ 모델이 어떻게 포착하는지 평가하기.

제안 방법

• YbZn2GaO5의 고품질 단결정 합성 및 불순물 여부를 확인하여 불순물 여부를 배제합니다.
• 자극이 매우 낮은 온도에서의 열용량을 측정하고 자기 부분을 추출하여 T^2 의 의존성을 보임을 확인합니다.
• 분말 및 단결정에 대한 비탄성 중성자 산란을 수행하여 저에너지 들뜸을 매핑하고 고대칭점에서의 갭을 확인합니다.
• INS로부터 크리스털 필드 준위 피팅을 통해 효과 스핀-1/2의 크래머스 이중항 ground state를 확인합니다.
• 대규모 행렬곱 상태 시뮬레이션(DMRG/TDVP)을 사용해 J1-J2 XXZ 모델의 동적 구조 요인 S(q,ω)를 계산하고 INS 데이터와 비교합니다.
• J2/J1 ≈ 0.12 및 Δ ≈ 1.35를 사용해 Γ-점의 갭과 M/K에서의 격자 상태를 재현하고 관찰된 스펙트럼에 부합하는지 확인합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 YbZn2GaO5가 측정된 최저 온도에서도 장거리 자기 순서를 잃지 않는가?
• RQ2 저에너지 들뜸 스펙트럼이 스핀온 페르미 면 상태나 불순물 유도 효과 대신 U(1) 디랙 양자 스핀 액체와 일관되는가?
• RQ3 작은 J2/J1을 갖는 J1-J2 XXZ 모델이 INS 스펙트럼과 Γ점의 갭을 재현하면서 M/K에서의 갭 없는 들뜸을 보이는가?
• RQ4 열용량이 삼각 격자 QSL에서 디랙 스핀온을 시사하는 T^2 스케일링을 보이는가?

주요 결과

• YbZn2GaO5는 0.06 K까지 자기 순서를 보이지 않는다.
• 저온에서 자기 열용량이 T^2로 스케일링되어 U(1) 디랙 QSL 해석을 지지한다.
• INS는 Γ점 근처에서 갭을 보이는 동시에 M 및 K에서 갭이 없는 연속 상태를 나타내며, 이 점들에서 디랙 스피논과 일치한다.
• CEF 피팅은 Yb3+의 효과 스핀-1/2 바닥 상태와 441 K 위의 첫 번째 여기 상태를 확인한다.
• J1-J2 XXZ 모델에서의 이론적 S(q,ω)( ) (J2/J1=0.12, Δ=1.35)가 관련 에너지 범위에서 관찰된 스펙트럼과 일치한다.
• 결함 없는 삼각 격자 Yb 기반 화합물은 스핀온 페르미 면 거동이 아니라 U(1) 디랙 QSL의 서명을 보인다.